• 技術名稱
  • 可應用於電化學電池之超親水石墨氈電極
  • 計畫單位
  • 國立屏東大學
  • 展區位置
  • 僅供線上展示
  • 聯絡人
  • 李文仁
  • 電子信箱
  • wenjenlee@mail.nptu.edu.tw
技術說明 人類經濟發展長期仰賴石化能源造成環境汙染、氣候變遷與能源耗竭,為了人類永續發展,世界各國積極推動綠色能源科技,在綠色能源系統整體規劃上需要「創能」技術(例如:太陽能發電、風力發電…)搭配「儲能」技術(例如:釩液流電池、鋰離子電池、鋁離子電池…)。
石墨氈是一種具有可撓性、高表面積、高導電性與高化學穩定性的碳材料,可做為電化學電池(例如:釩液流電池、鋰離子電池、鋁離子電池…)的電極,但由於石墨氈表面的超疏水性質導致電化學活性不佳,因此直接使用市售石墨氈做為電極之電池特性不佳,必須先將市售石墨氈進行改質以提高其電化學活性。
高電化學活性的石墨氈必須具備「良好的親水性、高表面積、高導電性與長期穩定性」,因此所運用的改質技術除了必須能將石墨氈的超疏水性改質成親水性之外,還必須要能保有石墨氈原本具有的高表面積與高導電性,此外改質後的親水性要能夠長期穩定。
目前將疏水性石墨氈改質成親水性石墨氈的技術分為兩大類:
第一類是「在石墨氈表面接枝含氧官能基」,例如將石墨氈置於含氧環境中進行熱處理或是將石墨氈浸泡在雙氧水、氨水、硫酸或其他化學溶液中處理,讓石墨氈表面接上具有親水性的含氧官能基使石墨氈變成親水性,此類方式的好處是製程簡單也能保有石墨氈原有的高導電性,但缺點是長期穩定性不佳,改質後的石墨氈放置在大氣環境中一段時間就又轉變回疏水性。
第二類是「在石墨氈表面上披覆金屬氧化物」,例如使用水熱法、化學浴法或是其他薄膜成長技術將金屬氧化物奈米顆粒、奈米棒、奈米片或金屬氧化物薄膜…等金屬氧化物材料沉積在石墨氈表面,利用親水性的金屬氧化物讓石墨氈呈現出親水性,此改質方式可使石墨氈維持長期穩定的親水性,但是因為石墨氈表面包覆了導電性差的金屬氧化物,造成石墨氈整體的導電性不佳,因此後續需要將表面包覆金屬氧化物的石墨氈進行還原氣氛熱處理,來增加金屬氧化物的氧缺陷,以提升石墨氈表面金屬氧化物層的導電性,但不管如何調控製程參數,此種方式改質後的石墨氈之導電性都會變差(不如原始市售石墨氈的導電性)。
本研究團隊研發出新的石墨氈改質技術,成功製造出高導電性的超親水石墨氈(如圖2、影片),並且此超親水石墨氈具有高電化學活性與長期穩定性(如圖3,此外石墨氈置於大氣環境超過1個月仍然是超親水性),此外本技術不會改變石墨氈的高表面積形貌(如圖1)。本研發成果可用於石墨氈製造業、電池製造業及碳材料應用相關產業。
科學突破性 高電化學活性的石墨氈須具備「良好的親水性、高導電性與長期穩定性」,市售石墨氈因超疏水的天性而電化學活性差,需先改質成親水性才能用於電化學儲能元件。現行改質方式因「長期穩定性不佳」或「降低石墨氈導電性」之缺點仍需改善。本團隊成功以新改質技術製作具「超親水性、高導電性與長期穩定性」的高電化學活性石墨氈。
產業應用性 我們開發一種新技術成功生產具有超親水性、高導電性和長期穩定性的高電化學活性石墨氈。此技術可用於石墨氈製造業以生產超親水性石墨氈供貨給下游電池製造商、亦可對其他碳材料做親水性改質及應用於電池製造業以對市售石墨氈進行親水性改質。我們樂意與產業界合作開發超親水石墨氈的量產技術及在電化學電池中的應用。